JP-7855678-B2 - バッテリ制御方法及びバッテリ制御装置

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Inventors

谷口育宏
吉岡禎明
小川宏士

Assignees

日産自動車株式会社
三菱自動車工業株式会社

Dates

Publication Date: 20260508
Application Date: 20220328

Claims (18)

プロセッサにより実行される、複数のセルを含むバッテリの制御方法であって、前記プロセッサは、前記複数のセルの電圧をそれぞれ検出し、前記複数のセルの各検出電圧の中から、前記複数のセルの最高電圧を特定し、前記バッテリのうち走行風の当たる部分に配置された前記セルの検出電圧から、前記複数のセルの最低電圧を特定し、前記最高電圧前記最低電圧との電圧差を算出し、前記電圧差が所定の第１電圧差閾値以上である場合には、前記バッテリの出力制限を実行するバッテリ制御方法。
請求項１に記載のバッテリ制御方法において、前記出力制限の実行中における前記電圧差が前記第１電圧差閾値よりも低い第２電圧差閾値未満であり、かつ、前記バッテリを備えた移動体の車速が所定の車速閾値以下となった場合に、前記出力制限を解除するバッテリ制御方法。
請求項１又は２に記載のバッテリ制御方法において、前記複数のセルのＳＯＣをそれぞれ測定し、測定されたＳＯＣに基づき、前記複数のセルの平均ＳＯＣと最低ＳＯＣとのＳＯＣ差を算出し、ＳＯＣ差が所定のＳＯＣ差閾値以上である場合には、前記バッテリの出力制限を実行するバッテリ制御方法。
請求項１～３のいずれか一項に記載のバッテリ制御方法において、前記バッテリにおける複数の検出点で温度を検出し、検出された温度に基づき、前記複数のセルの最高温度と最低温度との温度差を算出し、前記温度差が所定の温度差閾値以上である場合には、前記バッテリの出力制限を実行するバッテリ制御方法。
請求項１～４のいずれか一項に記載のバッテリ制御方法において、前記電圧差が大きい程、前記バッテリの出力制限の制限量を大きくするバッテリ制御方法。
請求項１～５のいずれか一項に記載のバッテリ制御方法において、前記バッテリのＳＯＣを算出し、算出されたＳＯＣが所定の下限ＳＯＣ以下である場合には、前記バッテリの出力制限を実行し、前記電圧差が前記第１電圧差閾値以上である場合に実行される前記出力制限の第１制限量は、算出されたＳＯＣが所定の下限ＳＯＣ以下である場合に実行される前記出力制限の第２制限量より小さいバッテリ制御方法。
請求項１記載のバッテリ制御方法において、バッテリのうち走行風の当たる部分は、車両の前方に位置するバッテリ制御方法。
請求項１～７のいずれか一項に記載のバッテリ制御方法において、車両の前方に配置された前記セルの電圧を、前記最低電圧とするバッテリ制御方法。
請求項１～７のいずれか一項に記載のバッテリ制御方法において、前記複数のセルのうち特定のセルを、前記最低電圧を測定するための対象とするバッテリ制御方法。
複数のセルを含むバッテリと、前記バッテリの出力を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記複数のセルの電圧をそれぞれ検出し、前記複数のセルの各検出電圧の中から、前記複数のセルの最高電圧を特定し、前記バッテリのうち走行風の当たる部分に配置された前記セルの検出電圧から、前記複数のセルの最低電圧を特定し、前記最高電圧と前記最低電圧との電圧差を算出し、前記電圧差が所定の第１電圧差閾値以上である場合には、前記バッテリの出力制限を実行するバッテリ制御装置。
請求項１０に記載のバッテリ制御装置において、前記コントローラは、前記出力制限の実行中における前記電圧差が前記第１電圧差閾値よりも低い第２電圧差閾値未満であり、かつ、前記バッテリを備えた移動体の車速が所定の車速閾値以下となった場合に、前記出力制限を解除するバッテリ制御装置。
請求項１０又は１１に記載のバッテリ制御装置において、前記コントローラは、前記複数のセルのＳＯＣをそれぞれ測定し、測定されたＳＯＣに基づき、前記複数のセルの平均ＳＯＣと最低ＳＯＣとのＳＯＣ差を算出し、ＳＯＣ差が所定のＳＯＣ差閾値以上である場合には、前記バッテリの出力制限を実行するバッテリ制御装置。
請求項１０～１２のいずれか一項に記載のバッテリ制御装置において、前記コントローラは、前記バッテリにおける複数の検出点で温度を検出し、検出された温度に基づき、前記複数のセルの最高温度と最低温度との温度差を算出し、前記温度差が所定の温度差閾値以上である場合には、前記バッテリの出力制限を実行するバッテリ制御装置。
請求項１０～１３のいずれか一項に記載のバッテリ制御装置であって、前記コントローラは、前記電圧差が大きい程、前記バッテリの出力制限の制限量を大きくするバッテリ制御装置。
請求項１０～１４のいずれか一項に記載のバッテリ制御装置であって、前記コントローラは、前記バッテリのＳＯＣを算出し、算出されたＳＯＣが所定の下限ＳＯＣ以下である場合には、前記バッテリの出力制限を実行し、前記電圧差が前記第１電圧差閾値以上である場合に実行される前記出力制限の第１制限量は、算出されたＳＯＣが所定の下限ＳＯＣ以下である場合に実行される前記出力制限の第２制限量より小さいバッテリ制御装置。
請求項１０記載のバッテリ制御装置において、バッテリのうち走行風の当たる部分は、車両の前方に位置するバッテリ制御装置。
請求項１０～１６のいずれか一項に記載のバッテリ制御装置において、車両の前方に配置された前記セルの電圧を、前記最低電圧とするバッテリ制御装置。
請求項１０～１６のいずれか一項に記載のバッテリ制御装置において、前記複数のセルのうち特定のセルを、前記最低電圧を測定するための対象とするバッテリ制御装置。

Description

本発明は、バッテリ制御方法及びバッテリ制御装置に関するものである。従来より、組電池を構成する単電池に接続され、単電池の電圧を検出する複数の第１の電圧検出手段と、組電池の総電圧を検出する第２の電圧検出手段と、単電池の電圧又は組電池の総電圧のいずれか一方を選択し、選択された電圧に応じて組電池の電力を制御する制御手段とを備えた組電池制御装置が知られている（例えば特許文献１）。特許文献１記載の組電池制御装置は、バッテリ３の総電圧から算出される平均電圧（Ｖ１）と各単電池の最低電圧（Ｖ２）との電圧差を算出し、電圧差が閾値（Ｃ１）より大きい場合には、最低電圧（Ｖ２）を選択して、選択された最低電圧（Ｖ２）に応じて過放電を防止するための出力制限を実行する。特開２０１０－２２６７９２号公報図１は、本発明の一実施の形態に係るバッテリ制御システムのブロック図である。図２は車両の側面図である。図３はＬＢＣ及び車両コントローラの制御フローを示すフローチャートである。図４はバッテリの電圧特性（а）とＳＯＣ特性（ｂ）を示すグラフである。図５は、本発明の他の実施形態における、出力制限用閾値と制限値との関係を示すグラフである。図６はＬＢＣ及び車両コントローラの制御フローを示すフローチャートである。 ≪第１実施形態≫ 以下、本発明に係るバッテリ制御方法及びバッテリ制御装置の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係るバッテリ制御システムのブロック図である。バッテリ制御システムは、複数のセル（電池）１を含むバッテリ３と、インバータ２と、リレースイッチ４と、モータ５と、総電圧センサ６と、電流センサ７と、温度センサ８と、リチウムイオンバッテリコントローラ（ＬＢＣ）１００と、車両コントローラ２００を備えている。少なくともバッテリコントローラ１００及び車両コントローラ２００を含む装置が本発明の「バッテリ制御装置」に相当し、バッテリコントローラ１００及び車両コントローラ２００で実行される制御処理が本発明の「バッテリ制御方法」に相当する。バッテリ３は、直列接続されたｎ個（ｎは任意の正の整数、図１に示す例ではｎ＝４)のセル（電池）１を１単位とする電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３を有している。セル１には、例えばリチウムイオン電池が使用される。バッテリ３は、車両外部の充電装置により充電可能な二次電池であり、充電ケーブルが車両に接続されることで、バッテリ３は、充電可能な状態で車両外部の充電装置に電気的に接続される。またバッテリ３は、インバータ２を介してモータ５に接続されており、モータ５の力行時にはバッテリ３は放電し、モータ５の回生時にはバッテリ３は充電する。なお、電池モジュールの数は３個に限らず、１個、２個、又は４個以上であってもよい。３つの電池モジュールＭ１～Ｍ３は直列に接続され、その両端に電気自動車等のモータ５が、インバータ２を介して接続されている。インバータ２は、バッテリ３とモータ５の間で電力を変換する電力変換回路である。リレースイッチ４は、ＯＮ、ＯＦＦ操作により、主電源のＯＮ・ＯＦＦを行い、バッテリ３とモータ５及びインバータ２の間に接続される。総電圧センサ６は、バッテリ３の両極の端子間に接続され、バッテリ３の電圧を検出するセンサである。電流センサ７は、バッテリ３とインバータ２の間に接続され、バッテリ３から出力される電流を検出する。温度センサ８は、バッテリ３に備え付けられ、バッテリ３の温度を検出する。なお、温度センサ８は、バッテリ３の複数個所に設けられており、複数の温度センサの検出値の平均温度を、バッテリ３の検出温度とする。総電圧センサ６、電流センサ７、及び温度センサ８は、バッテリコントローラ１００及び／又は車両コントローラ２００からの指令に応じて、バッテリ３の総電圧、電流、温度を検出し、検出結果をバッテリコントローラ１００及び／又は車両コントローラ２００へ送信する。バッテリコントローラ１００は、バッテリ３の状態管理及びバッテリ３の充放電制御を行うコントローラ（プロセッサ）であり、セルコントローラＣＣ１、ＣＣ２、ＣＣ３と、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２と、バッテリコントローラ（ＣＰＵ）１０とを備える。３個のセルコントローラＣＣ１、ＣＣ２、ＣＣ３は、対応する電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３の電池容量（具体的には各単電池の電圧ＶＣ１～ＶＣ４）を監視している。各セルコントローラＣＣ１～ＣＣ３の入力端子ＶＣ１～ＶＣ４は、電池モジュールＭ１～Ｍ３の各セル１に接続され、当該セルコントローラＣＣ１～ＣＣ３はカスケード接続されている。ＣＰＵ１０は、所定のタイミングで各セル１の電圧を検出する指令をセルコントローラＣＣ１～ＣＣ３へ送信し、これを受信したセルコントローラＣＣ１～ＣＣ３は各セル１の電圧を検出する。検出された電圧は、各セルコントローラＣＣ１～ＣＣ３が有する図示しないメモリー等により保持される。またＣＰＵ１０は、所定のタイミングで各セル１の電圧を読み出すため指令をセルコントローラＣＣ１～ＣＣ３へ送信し、これを受信したセルコントローラＣＣ１～ＣＣ３は当該メモリーに保持された検出電圧を読み出し、ＣＰＵ１０へ送信する。ＣＰＵ１０とセルコントローラＣＣ１～ＣＣ３との間の通信には、電気絶縁性を有するフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２が用いられている。フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２は、発光素子であるフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２と、受光素子であるフォトトランジスタＰＴ１、ＰＴ２をそれぞれ有している。セルコントローラＣＣ２とＣＰＵ１０との間の通信にはフォトカプラを使用せず、ＣＰＵ１０からセルコントローラＣＣ３へ送信したデータを当該セルコントローラＣＣ３からセルコントローラＣＣ２へ送り、さらに当該セルコントローラＣＣ２からセルコントローラＣＣ１へ送り、最後にこのデータをセルコントローラＣＣ１からフォトカプラＰＣ２を介してＣＰＵ１０へ送信するといった、いわゆるカスケード通信方式を採用している。車両コントローラ２００は、モータ５を含む駆動システムの制御や、ライト等の補器系統の制御等、車両の全体を制御するコントローラ（プロセッサ）である。また、車両コントローラ２００は、バッテリコントローラ１００と共に、バッテリ３の制御も行う。例えば、車両コントローラ２００は、バッテリ３のＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ：充電状態）に応じて、バッテリ３の過放電又は充放電を防ぐために、インバータ２を制御することでモータの出力トルクに制限をかける。なお、図１の例では、ＬＢＣ１００と車両コントローラ２００を分けているが、ＬＢＣ１００と車両コントローラ２００は１つのコントローラにしてもよい。また、総電圧センサ６、電流センサ７、及び温度センサ８の検出値はバッテリコントローラ１００に直接出力されてもよい。次に、図２を参照し、車両におけるバッテリ３の設置位置とバッテリ３の温度について説明する。図２は、バッテリ３の設置される位置を説明するための図であり、車両の側面図である。図２に示すように、バッテリ３は、車両の底面に沿うように、シャシに設けられている。バッテリ３は、車室内の空間を確保するために、扁平形状の電池モジュールを底面（走行面）に沿うよう平行に複数並べている。車両走行時、走行風が車両にあたる。図２に示すように、走行風が、図２の紙面上で左側から右側に向かって吹くため、走行風は、車外に設置されたバッテリ３のうち車両の前方に位置する電池モジュールＭ（図２の点線部分の範囲）に当たりやすく、車両の後方に位置する電池モジュールＭには当たりにくい。車両の高速走行時（例えば時速１００ｋｍ／ｈ前後）等高負荷運転を実施している場合に、走行風が強くなるため、車両前方の電池モジュールに含まれるセル１の温度が、他の電池モジュールに含まれるセル１の温度よりも極端に低くなることがある。二次電池の性質として、セル１の温度が低い場合には、セル１の内部抵抗が高くなるため、セル１の電圧（セル１の端子間電圧）が低くなる。すなわち、車外に設置されたバッテリ３は、走行風等により一部の電池モジュールが冷やされるため、冷やされたセル１に異常がなくても、電圧が他のセルよりも低くなってしまう。ところで、バッテリ３のＳＯＣは、バッテリ３の平均電圧と最低電圧に応じて算出される。バッテリ３の平均電圧は複数のセル１の電圧の平均値であり、バッテリ３の最低電圧は複数のセル１の電圧のうち最も低い電圧である（以下の説明では、複数のセル１の各電圧の中で最も低い電圧を「バッテリ３の最低電圧」とも称する）。バッテリ３のＳＯＣの算出方法の一例として、以下の方法が挙げられる。セル１又はバッテリ３のＳＯＣは、電圧と相関性を有しており、ＳＯＣと電圧との相関性は、電池の性能や電池の劣化度等に応じて実験的に決まる。バッテリ３のＳＯＣがＳＯＣｂ以上である場合には、バッテリ３の平均電圧に対応するＳＯＣが、バッテリ３のＳＯＣとして算出される。そして、バッテリ３のＳＯＣがＳＯＣ а 以上でありＳＯＣｂ未満の範囲内である場合には、バッテリ３の平均電圧に対応するＳＯＣとバッテリ３の最低電圧に対応するＳＯＣとを含む所定の演算式から、バッテリ３のＳＯＣが算出される。バッテリ３のＳＯＣがＳＯＣа未満の場合には、バッテリ３の最低電圧に対応するＳＯＣが、バッテリ３のＳＯＣとして算出される。上記のようなＳＯＣ算出方法の下、例えば、車両が高速走行時に、一部のセルが走行風等で冷やされ、セルの温度が低くなる現象（以下、セル低温現象とも称する）が生じたと仮定する。このような状況で、バッテリ３のＳＯＣが高い場合（ＳＯＣｂ以上の場合）には、バッテリ３のＳＯＣは、バッテリ３の平均電圧から算出されるため、一部のセルの温度が低くなっても、ＳＯＣの算出値への影響は少ない。しかしながら、車両の高速走行時には、バッテリ３への負荷が大きいため、高速走行を続けることでＳＯＣは低下する。また、走行風によるセルの温度低下が進み、バッテリ３の最低電圧はさらに低くなる。そして、ＳＯＣがＳＯＣа未満になると、バッテリ３のＳＯＣは、バッテリ３の最低電圧から算出されるため、バッテリ３のＳＯＣの算出値が極端に低くなる場合がある。つまり、バッテリ３の全体の電池容量は十分確保しているにも関わらず、一部のセルの温度が低いことで、低温セルは異常セルでないにもかかわらず、低温セル電圧が低くなる。そして、バッテリ３のＳＯＣは、低温セルの電圧から算出されるため、バッテリ３のＳＯＣが低い値で算出される。算出されたＳＯＣをディスプレイに表示した場合には、ＳＯＣの算出値が、高速走行中、短時間で極端に低くなるため、ディスプレイへ表示されるＳＯＣも急変する。そして、ＳＯＣの表示をみた乗員が、短時間で低下するＳＯＣの表示に対して違和感をもつ。さらに、算出されたＳＯＣが極端に低い場合に、車両コントローラ２００は、バッテリ３の過放電を防ぐために、大きな出力制限を実行する。そのため、上記のような高速走行時に、セル低温現象が生じることで、ＳＯＣが低下すると、大きな出力制限がかかってしまう。このように、セル低温現象が発生すると、特定のセルの温度が他のセルの温度よりも低くなるため、セルに異常が生じていないにもかからず、バッテリ３に対して大きな制限がかかる。すなわち、正常なセルに対して、不必要に大きな出力制限がかかってしまう。特に、図１に示すように、バッテリ３に含まれる複数のセル１が直列に接続されている場合には、セル１の全体数を変えずに２並列に接続した場合と比較して、出力される電流量は大きくなる。そのため、セル低温現象により、低温セルで急激な電圧低下が発生すると、過放電を防ぐための出力制限が不必要にかかるおそれがある。本実施形態に係るバッテリ制御方法及びバッテリ制御装置は、上記のような、一部のセルの温度の